CN110518949A - 等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法及训练方法 - Google Patents

Abstract

等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法及训练方法，属于无线通信技术领域，适用于采用模拟收发结构的等规模约束下大规模天线阵系统，解决基于多分辨率码本的层次化搜索方案下，如何提高码本性能的问题，本发明多分辨率码本设计方法综合运用了虚拟子阵列技术和多波束空间合成技术，通过相位补偿技术解决了虚拟子阵列间的耦合带来的波束增益起伏问题，本发明在提高码本生成效率的同时也为自适应波束对齐奠定了基础；相移阵列的每根天线上施加等功率约束，在克服传统模拟码本生成方法中需要配置射频开关的缺陷的同时充分利用了阵列增益；码字主带内的波束增益起伏问题通过相位补偿技术得到了有效遏制，具有较平坦的波束样式。

Description

等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法及训练方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，为一种等功率约束下的基于子阵列的多分辨率码本产生及自适应波束训练方法。

背景技术

移动通信的容量呈现爆发式的增长，为了满足这一需求，无线通信的频段越来越高，目前已经从微波频段向毫米波甚至太赫兹波段发展以获得足够的频谱资源。然而，相对于现有运营在低频段的移动通信系统而言，高频段无线传输存在严重的传输损耗。然而对于高频段无线通信系统，在严重高频传输损耗的同时，较短的波长使得在相同尺寸下集成更多数量的天线成为可能。因此，通过在通信收发射机两侧架设大规模天线阵列获取大的波束成形（Beamforming）增益来对抗高频传输损耗成为一个有效的解决方案。

大规模天线阵列的瓶颈在于信道估计。传统多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）系统中采用的对逐根天线进行信道信息获取的信道估计方法由于估计开销过大而无法直接应用到高频段系统中。目前学术界和业界提出的降低开销的信道估计方案可以概括成如下两类：一是基于稀疏空间重构的压缩感知技术（CompressingSensing，CS）；二是基于码本的波束切换（Switched-Beamforming）扫描方案。前者用以较复杂的技术为代价可以较为准确的估计出信道中的多径分量（MPCs），而后者虽难以准确的获取MPCs的信息，但可以以简单的技术手段抓取最强单径。

为进一步减少搜索码本的开销，业界和学术界提出了基于多分辨率码本的层次化搜索方案，可以将波束对齐的时间开销减少到天线数目的对数级。层次化搜索的准确度主要取决于多分辨率码本的性能，如带内平坦度、带外泄露、主旁瓣比和带内增益等。然而，当射频链（Radio-Frequency chain，RF chain）受限时，同时追求这些技术指标存在极大的技术难度，这是由于不同相移器组的相位调整结果无法在阵列上直接相加，只能在空间角度域上合成，进而导致了子阵列间耦合问题。

参考文献

[1] Wang J, Lan Z, Baykas T, et al. “Beam Codebook Based BeamformingProtocol for Multi-Gbps Millimeter-Wave WPAN Systems” IEEE J. Sel. AreasCommun., 2009, 27(8):1390–1399.

[2]Xiao Z, He T, Xia P, et al. “Hierarchical Codebook Design forBeamforming Training in Millimeter-Wave Communication”IEEE Trans. WirelessCommun., 2016, 15(5):3380–3392.。

发明内容

本发明要解决的问题是：大规模天线阵列的信道估计需要搜索码本的开销，但目前的基于多分辨率码本的层次化搜索方案在射频链受限时，码本性能受到影响，进而影响层次化搜索的准确度。

本发明的技术方案为：等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法，在采用模拟阵列结构下的点对点大规模天线系统中，在等功率约束下设计多分辨率码本，天线系统收发两侧均配置有N个均匀线性半波长天线阵列，包括以下步骤：

1）根据均匀线性阵列规模确定多分辨率码本的层数为，其中N为2 的整数次 幂，码本用一个的三维矩阵存储；

2）从第1层开始到第S层逐层生多分辨率码本，第s 层码本有个码字，第s层第i 个码字为，s=1,2，…,S；

3）第s 层每个码字相应的波束带宽为，第s层需要的虚拟子阵列数为，其中⌈ ⌉为向上取整，Δs = S –s，相邻子波束的角间距为；

4）第s层第1个码字构造通过个子波束经过波束增益相位补偿系数调整后合 成得到，具体如下：

为子阵列天线数，为第m个子波束的中心角，，

，为 矩阵转置，为子波束相位补偿系数，；

5）第s层第i个码字构造通过第s层第1个码字旋转相位获得：

，符号 为hadamard积，即逐点相乘；

6）发送端和接收端采用同样的构造步骤1）~5）产生接收端码本和发送端码本。

本发明还提出等功率约束下大规模天线训练码本的训练方法，码本产生后，采用 波束切换扫描方式进行波束成形训练，通过如下步骤层次化搜索码本，得到波束对齐后的 最高层码本上的收发配对码字：

7）波束对齐从码本的最底层s=1层开始，直至最高层，以获得精确的波束对齐；波束对齐算法包括发送端层次化搜索和接收端层次化搜索；

8）在发送端层次化波束搜索阶段，接收端采用第0层码本的唯一码字W(0,1)配置移相 器以全向合并波束，而发送端从第s=1层开始到码本最高层s=S逐层进行层次化搜索，对于 第s级的层次化搜索，发送端在连续的两个时隙内分别用前一级波束搜索获得的最优码字的两个子码字和形成定向波束，即两个备选发送 波束，接收端通过比较这两个备选发送波束对应的接收信号，选取接收功率较大时的码 字序号作为反馈信号反馈给发送端，按上述方法对发送端的码本搜索直到最高层，得到 最优发射码字；

9）在接收端层次化波束搜索阶段，发送端用已经获得的最优码字形成定向 波束，而接收端也采用发送端层次化波束搜索的方法进行波束搜索，得到接收端码本的最 优接收码字。

进一步的，根据不同的传输信噪比自适应地选择进行初始级波束训练所应在的码本层号，具体为：

自适应波束训练算法:根据码本设计方法，高层的码字形成的波束增益总是高于底层 码字，层次化波束搜索中，初始搜索层根据接收信噪比进行自适应选择，设波束训练所需接 收信噪比最低门限为 ，那么初始训练层的选择满足，其中是层码字的波束增益，是全向波束发射时的接收信噪比。

本发明公开了一种天线等功率约束下的基于虚拟子阵列协作的多分辨率码本产生及自适应波束训练方法，包括等功率约束下的子波束合成策略，多分辨率码本构造方法和自适应波束训练算法。本方法适用于采用模拟收发结构的大规模天线阵系统。大规模天线阵分成多个子阵列，每个子阵列上的基本子波束通过模拟射频组件形成，子阵列间的协作通过射频移相器组件调整子波束间相位差实现；多分辨率码本设计方法综合运用了虚拟子阵列技术和多波束空间合成技术，虚拟子阵列间的耦合带来的波束增益起伏问题通过相位补偿技术得到了有效解决。所设计的码本生成方法以解析式的形式给出，在提高了码本生成效率的同时也为自适应波束对齐，即波束训练奠定了基础；相移阵列的每根天线上施加等功率约束，在克服了传统模拟码本生成方法中需要配置射频开关的缺陷的同时充分利用了阵列增益；码字主带内的波束增益起伏问题通过相位补偿技术得到了有效遏制，具有较平坦的波束样式。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果。

1.本发明适用于模拟相控阵列，所以码本设计都是等功率，只需要通过移相器调整相位，幅度不变，就能实现不同角度的多分辨率子波束，每个天线的发射功率相等，使得可以采用简单的功分器实现 ，因此本发明具有很低的硬件实现复杂度。

2. 由于本发明的多分辨率码本产生方法得到的波束样式具有更好的带内平坦度和带外泄露，因此本发明具有更高的角度估计准确率。

3. 本发明的码本层数越高，码字形成的波束增益越高，如果信噪比低的化可以从层数高的码本开始训练，这样获得信噪比高，本发明中自适应波束训练算法根据不同的传输信噪比自适应地选择进行初始级波束训练所应在的码本层号，改善了低信噪比下的传输性能。

4.相对于现有的波束训练方案，本发明具有更为平坦的带内波束和更高的有效频谱效率。

附图说明

图1为本发明实施系统的架构示意图。

图2为本发明实施例中波束样式效果图。

图3本发明实施例和其他训练方法得到的有效频谱效率效果比较图。

具体实施方式

为解决现有技术的问题，本发明设计一种等功率约束下的基于子阵列的多分辨率码本产生及自适应波束训练方法，能够提高波束训练的准确度和有效频谱效率。本方法包括等功率约束下多分辨率码本生成算法和自适应波束训练算法。多分辨率码本设计方法综合运用了虚拟子阵列技术和多波束空间合成技术，虚拟子阵列间的耦合带来的波束增益起伏问题通过相位补偿技术得到了有效解决。为保证码本的可实现性，所设计的码本保证每个天线的发射功率相等。自适应波束训练算法采用层次化搜索方法，采用相似的搜索算法先训练发送端后训练接收端。

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明是在采用模拟阵列结构下的点对点大规模天线系统中，在等功率约束下设计多分辨率码本和自适应波束训练方法，提高有效传输速率的一种方法。

如图1所示，本实例中的收发两侧均配置有N个均匀线性半波长天线阵列，发射信号经过射频链路后均匀分配到N个发射天线上，发射之前经过移相器（PS）和功放（PA）实现波束赋型，接收端天线接收无线信号，经过低噪放（LNA）和移相器最后合并在一起实现信号的接收波束赋型。其中发射和接收波束赋型只通过移相器实现，整个阵列结构易于硬件实现，成本较低。

本发明所述的等功率约束下的基于子阵列的多分辨率码本产生及自适应波束训练方法，包括以下步骤。

（1）根据均匀线性阵列规模确定多分辨率码本的层数为，其中天线总数 N为2 的整数次幂（阵列典型配置参数），码本用一个的三维矩阵存储。

（2）从第1层开始到第S层逐层生多分辨率码本，第s 层码本有个码字，第第s层第i个码字为，s=1,2，…,S。

（3）第s 层码本有个码字，该层每个码字相应的波束带宽为。与最 高层第S层相距Δs的第s 层需要的虚拟子阵列数为，Δs = S–s，其中⌈ ⌉为向 上取整，相邻子波束的角间距为。

（4）首先构造第s层第1个码字，该码字是通过个子波束经过波束增益相位补偿 系数调整后合成得到，具体如下：

其中为子阵列天线数，为第m个子波束的中心角，，

，为矩阵 转置，为子波束相位补偿系数，。

（5）第s层第i个码字构造通过第s层第1个码字旋转相位获得：

，符号为hadamard积（逐点相乘）。

（6）发送端和接收端采用同样的构造步骤（1）~（5）产生接收端码本和发送端码 本。

码本产生后，采用波束切换扫描方式进行波束成形训练，通过如下步骤层次化搜 索码本，得到波束对齐后的最高层码本上的收发配对码字，完成波束训练。

（7）波束对齐从码本的最底层s=1层开始，直至最高层以获得精确的波束对齐；波束对齐算法包括发送端层次化搜索和接收端层次化搜索。

（8）在发送端层次化波束搜索阶段，接收端采用第0层码本的唯一码字W(0,1)配置 移相器以全向合并波束，而发送端从第s=1层开始到码本最高层s=S逐层进行层次化搜索， 其中第0层就是全向波束，只有一个码字，所以不算在训练码本里，因为训练码本从第一层 开始，至少有2个码字，这样可以通过训练选择一个码字对应的方向。对于给定的第s级层次 化搜索，发送端在连续的两个时隙内分别用前一级波束搜索获得的最优码字的 两个子码字和形成定向波束，码字形成一个二叉树，前一层 的码字对应下一层的两个码字，即子码字。

接收端通过比较这两个备选发送波束对应的接收信号，选取接收功率较大时 的码字序号作为反馈信号反馈给发送端。直至搜索到最高层上的最优发射码字。

（9）在接收端层次化波束搜索阶段，发送端用已经获得的最优码字形成 定向波束，而接收端也采用发送端层次化波束搜索的方法进行波束搜索，得到接收端码本 的最优接收码字。

进一步的，本发明实现自适应波束训练，根据不同的传输信噪比自适应地选择进 行初始级波束训练所应在的码本层号，具体为：根据码本设计方法，高层的码字形成的波束 增益总是高于底层码字，层次化波束搜索中，初始搜索层根据接收信噪比进行自适应选择， 设波束训练所需接收信噪比最低门限为 ，那么初始训练层的选择满足，其中是层码字的波束增益，是全向波束 发射时的接收信噪比。

图2给出本发明所设计的码本不同层第一个码字的波束角度覆盖图和波束样式图。天线阵列为N=16元半波长均匀线阵，可以看出等功率约束下，本发明所设计的多分辨率码字可以有效覆盖不同分辨率的空间角度。

图3给出不同码本下的层次化波束对齐的性能比较图，评估指标为不同搜索级时的接收信噪比。在这些仿真中，收发两端均配置64 天线的半波长天线间距均匀线性阵列、系统采用等功率约束传输模型、几何信道模型中的到达角和发射角均随机产生。码本包括本发明设计的等功率码本（PAPC）、参考文献[1] 中提出的“DEACT”码本和参考文献[2] 中构造的“BMW-SS”。可以发现，无论是莱斯信道（Rician）还是瑞利信道(Rayleigh)，本发明所设计的“PAPC”码本比参考文献的“DEACT”码本和“BMW-SS”码本在波束对齐的初始阶段具有更大的接收信噪比。

本发明具有硬件实现复杂度低、带内波束平坦、角度估计准确率高。本发明适用于通信双方采用单射频链路模拟收发结构的大规模天线点对点无线通信系统。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法，其特征是在采用模拟阵列结构下的点对点大规模天线系统中，在等功率约束下设计多分辨率码本，天线系统收发两侧均配置有N个均匀线性半波长天线阵列，包括以下步骤：

1）根据均匀线性阵列规模确定多分辨率码本的层数为，其中N为2 的整数次 幂，码本用一个的三维矩阵存储；

2）从第1层开始到第S层逐层生多分辨率码本，第s 层码本有个码字，第s层第i 个码字为，s=1,2，…,S；

3）第s 层每个码字相应的波束带宽为，第s层需要的虚拟子阵列数为，其中⌈ ⌉为向上取整，Δs = S–s，相邻子波束的角间距为；

4）第s层第1个码字构造通过个子波束经过波束增益相位补偿系数调整后合成 得到，具体如下：

为子阵列天线数，为第m个子波束的中心角，，

，为矩阵转置，为子 波束相位补偿系数，；

5）第s层第i个码字构造通过第s层第1个码字旋转相位获得：

，符号为hadamard积，即逐点相乘；

6）发送端和接收端采用同样的构造步骤1）~5）产生接收端码本和发送端码本。

2.等功率约束下大规模天线训练码本的训练方法，其特征是由权利要求1所述设计方 法得到码本后，采用波束切换扫描方式进行波束成形训练，通过如下步骤层次化搜索码本， 得到波束对齐后的最高层码本上的收发配对码字：

7）波束对齐从码本的最底层s=1层开始，直至最高层，以获得精确的波束对齐；波束对齐算法包括发送端层次化搜索和接收端层次化搜索；

8）在发送端层次化波束搜索阶段，接收端采用第0层码本的唯一码字W(0,1)配置移相 器以全向合并波束，而发送端从第s=1层开始到码本最高层s=S逐层进行层次化搜索，对于 第s级的层次化搜索，发送端在连续的两个时隙内分别用前一级波束搜索获得的最优码字的两个子码字和形成定向波束，即两个备选发 送波束，接收端通过比较这两个备选发送波束对应的接收信号，选取接收功率较大时的 码字序号作为反馈信号反馈给发送端，按上述方法对发送端的码本搜索直到最高层，得 到最优发射码字；

9）在接收端层次化波束搜索阶段，发送端用已经获得的最优码字形成定向 波束，而接收端也采用发送端层次化波束搜索的方法进行波束搜索，得到接收端码本的最 优接收码字。

3.根据权利要求2所述的等功率约束下大规模天线训练码本的训练方法，其特征是根据不同的传输信噪比自适应地选择进行初始级波束训练所应在的码本层号，具体为：

自适应波束训练算法:根据码本设计方法，高层的码字形成的波束增益总是高于底层 码字，层次化波束搜索中，初始搜索层根据接收信噪比进行自适应选择，设波束训练所需接 收信噪比最低门限为 ，那么初始训练层的选择满足，其中是层码字的波束增益，是全向波束发射时的接收信噪比。